斜测电离图描迹的自动提取

王大鹏 宋欢 胡耀垓 谢存 赵正予

(1.武汉大学电子信息学院,武汉 430072;2.武汉军械士官学校,武汉 430075)



斜测电离图描迹的自动提取

王大鹏1,2宋欢1胡耀垓1谢存2赵正予1

(1.武汉大学电子信息学院,武汉 430072;2.武汉军械士官学校,武汉 430075)

提出了一种能同时获取斜测电离图描迹和参数的方法,该方法采用准抛物模型描述电离层F2层电子浓度分布.利用正割定理、Martyn等效虚高定理、图像处理技术和电离图的回波特征确定部分电离层状态参数的最终值和部分参数的初始值及搜索空间.然后,利用最小群时延和残差分析提取Es层描迹.最后,使用混合遗传算法从搜索空间范围内找出一组最优参数,使合成的斜测电离图F2层描迹与真实描迹吻合得最好.为了验证自动提取方法的有效性,对240张斜测电离图进行了自动提取,将得到的结果与斜测电离图的人工提取结果进行比较,结果显示该方法能够较准确地提取斜测电离图描迹和参数.

斜测电离图;自动提取;混合遗传算法

DOI 10.13443/j.cjors.2015110604

引 言

斜向探测能够获得描述收发站之间电波传播群时延对频率关系的电离图,称之为斜测电离图.通过提取和分析斜测电离图中的数据,可为收发站台之间的短波通信提供最佳通信频率,还可以获取传播路径中点上空的电离层状态信息.短波通信主要靠电波在电离层中的反射来实现,而对电波反射起主要作用的是电离层的F层.F层可分为F1层和F2层.对斜测电离图来说,F1层往往没有充分发展,主要是F2层对电波起反射作用.当斜测电离图中存在Es层时,Es层也参与反射部分电波信号.因此,全文旨在自动提取斜测电离图F2层和Es层的描迹和参数.

目前,国内外公开发表的与斜测电离图描迹和参数提取有关的文献较少.文献[1-2]主要介绍了斜测电离图的描迹提取方法,但都没有涉及斜测电离图的参数提取内容.文献[3]介绍了我们之前专门为了提取斜测电离图F2层描迹提出的方法,该方法仅能提取F2层描迹和两个与F2层有关的参数.本文在此基础上,将正割定理[4]、Martyn等效虚高定理[5]、最小群时延理论、残差分析[6]和窗口搜索法应用到斜测电离图的自动判读方法中,使其能够提取斜测电离图F2层和Es层描迹,与此同时提取大量与F2层和Es层有关的电离层状态参数.

1 自动提取方法

根据回波的信噪比二值化斜测电离图,然后采用连通域方法[7]去除电离图中的散点噪声.在干净的斜测电离图的基础上,根据经验值确定Es层和F2层出现在电离图中的位置,并从电离图中提取与Es层和F2层有关的参数,如Es层的最大观测频率fMUFEs,Es层对应的群路径p′Es,F2层X波的最大可用频率fXMUFF2,F2层O波的最大可用频率fOMUFF2.根据fMUFEs和p′Es值,利用最小群时延理论和残差分析提取Es层描迹.利用正割定理分别将fMUFEs,fOMUFF2近似转化为Es层的临界频率foEs和F2层的临界频率foF2.利用Martyn等效虚高定理将p′Es近似转化为Es层的虚高h′Es.定义foF2为准抛物(Quasi-Parabolic,QP)模型中临界频率的初始值.QP模型中最大电子浓度和半厚度的初始值根据经验值给出.以初始值为中心增加和减小一定阈值作为QP模型参数搜索空间的上限和下限.然后,采用图像处理技术直接从斜测电离图描迹上选出若干真实数据点作为合成斜测电离图F2层描迹需要的原始输入数据.最后,在确定的参数搜索空间范围内,利用混合遗传算法[8]从搜索范围内找出使目标函数最小的一组状态参数作为最优解,最优解对应的描迹就是最终提取的斜测电离图F2层描迹.

1.1 确定fMUFEs和p′Es

Es层一般出现在距地面上方100～120 km处,位置比较固定.文中设定Es层距地面高度为110 km.进行斜向探测时,发射机与接收机之间的地面距离D已知,因此可根据公式(1)计算出Es层出现在斜测电离图中的大致位置:

(1)

pmaxEs=pEs+10×Δp′;

(2)

pminEs=pEs-10×Δp′.

(3)

式中,Δp′为斜测电离图的群路径分辨率.为了找出Es层出现在电离图中的真实位置p′Es,以pEs为中心增加和减小一定阈值作为Es层出现在斜测电离图中的距离范围的上限(pmaxEs)和下限(pminEs),如式(2)和(3)所示.然后在该距离范围内找出频率最大点.该点的频率就是Es层的最大观测频率fMUFEs,该点的群路径就是Es层出现在电离图中的真实位置p′Es.如果在此范围内没有回波信号,则认为斜测电离图中不存在Es层,此时fMUFEs和p′Es的值均设为不适用(Not Applicable,NA).

1.2 提取斜测电离图Es层描迹

Es层出现在斜测电离图中的距离范围为[pminEs,pmaxEs],在此范围内采用最小群时延理论进行Es层描迹提取,即每个频点下,寻找最小群路径对应的点作为Es层前沿上的点.将所有的点按多元线性回归模型拟合[7].先分别采用一元、二元和三元线性回归模型拟合同一前沿,然后通过比较每个模型对应的相关系数来选择最适合的模型,因为相关系数可表明模型与前沿点的吻合程度,且相关系数越大吻合程度越高.最后拟合的前沿曲线就是Es层描迹.

1.3 确定fXMUFF2和fOMUFF2

为了不影响电离图F2层参数的提取,有必要去除电离图Es层回波信号.Es层回波信号主要分布在pmaxEs以下,因此将位于pmaxEs以下的信号幅度设为0就可以完成Es层回波信号的去除.采用搜索窗口A(M,N)搜索F2层回波信号,其表达式为:

M=int[(ΔfL)/Δf]+1;

(4)

(5)

1.4 确定有关参数的初始值

在忽略地磁场和电子碰撞的影响下,采用正割定理和Martyn等效虚高定理,可将斜测电离图转化为垂测电离图[9].正割定理说明,斜入射电波与垂直入射电波在同一高度反射时,它们的频率满足一定关系,如式(6)所示.因此,我们可以利用正割定理将Es层的最大观测频率和F2层的最大可用频率(fMUFEs,fOMUFF2)分别转化为与之对应的垂直入射频率(fvEs,fvF2),如式(7)、(8)所示:

fv=f*secθ0;

(6)

fvEs=fMUFEs×secθ0;

(7)

fvF2=fOMUFF2×secθ0.

(8)

式中：θ0是电波进入电离层的入射角;f是斜入射电波频率;fv是垂直入射电波频率.

在§1.1中,我们获取了Es层出现在斜测电离图中的真实位置p′Es.p′Es对应着等效垂直频率为fvEs的信号的群路径.Martyn等效虚高定理说明,斜入射波的反射虚高与等效垂直入射波的反射虚高相等.因此,在地面距离D已知的情况下,可通过式(9)求出Es层的反射虚高h′Es:

(9)

由于Es层出现在电离层中的位置较固定且半厚度很小,因此可近似地把fvEs当作Es层的临界频率foEs,把h′Es当作Es层出现在电离层中的真实高度.设定由式(8)计算出的fvF2为foF2的初始值.rm为最大电子浓度对应的高度，rmF2的初始值根据经验值给出,白天电离层F2层的真实高度主要在200～400 km之间波动.因此,定义rmF2的初始值为(300+r0)km,r0为地球半径.依据先验知识,ym为电离层的半厚度，ymF2与rmF2之间存在一个合理的假设,即ymF2=(rmF2-r0)/5.所以,定义ymF2的初始值为60 km.

1.5foF2,ymF2和rmF2的搜索空间

合适的搜索空间有助于快速准确地找出一组最优参数使电离图F2层描迹拟合效果最好.以各参数的初始值为中心,增加和减小一定阈值作为参数搜索空间的上限和下限.foF2、rmF2和ymF2的搜索空间为[foF2-init-2,foF2-init+2]、[rmF2-init-100,rmF2-init+100]和[ymF2-init-20,ymF2-init+40],其中后缀init代表参数的初始值.

1.6 确定foF2，ymF2和rmF2的最终值

采用混合遗传算法从各参数的搜索空间中找出它们的最终值.为了构建混合遗传算法中的目标函数,需要从真实的斜测电离图F2层描迹上选择若干数据点作为原始输入数据.

1.6.1 取点

利用边界框和斜测电离图回波特征判断电离图中的高角波个数并取点.定义边界框,并找出边界框内满足信号幅度为1和群路径大于p′F2的点,其中群路径大于p′F2的信号点都来自高角波,把这类点归为T1.如果T1个数为0,认为斜测电离图没有高角波;如果T1个数不为0,则判断T1来自一条高角波还是两条高角波.对于高角波而言,具有相同群路径却频率不同的两个信号点,其中小频率点来自O波,大频率点来自X波.根据该特征,将T1按照群路径从小到大排序,具有相同群路径的两个信号点,去除大频率点,将剩下的点归类为T2.如果T2中频率小于等于fOMUFF2的点占T2总个数的60%及以上,认为斜测电离图有两条高角波;否则,认为斜测电离图只有一条高角波.

1.6.2 提取电离图F2层描迹

采用混合遗传算法从搜索空间中获取foF2,ymF2和rmF2的最终值,和在已知F2层电子浓度剖面情况下,利用文献[10]给出的群路径和地面距离解析公式正演计算出斜测电离图F2层描迹,该内容在文献[8]中有详细介绍,这里不再复述.

(a) 实测斜测电离图

(b) 自动判读后的电离图注:图中的红色曲线表示合成的F2 层和Es 层描迹图1 2010年8月26日13:00LT获取的斜测电离图

对于有两条高角波的斜测电离图而言,获取了foF2的最终值,fxF2的最终值也可以确定.图1展示了有两条高角波的斜测电离图描迹和参数的自动提取效果.

2 结果与分析

为了验证自动提取方法的有效性,对获取的120张斜测电离图进行了描迹和参数的自动提取,并将自动提取结果与其人工提取结果进行比较,比较结果如表1所示.

由表1可知,fMUFEs、p′Es、fXMUFF2,fOMUFF2的自动判读结果的可接受率超过90%，精确率超过50%.foEs、h′Es、fxF2、foF2的自动判读结果的可接受率低于fMUFEs、p′Es、fXMUFF2、fOMUFF2,其中foF2、fxF2的可接受率在80%左右,foEs、h′Es的可接受率在60%～70%之间.以上结果表明,本文提出的自动提取方法能够较准确地提取出斜测电离图参数,特别是参数fMUFEs、p′Es、fXMUFF2、fOMUFF2.

表1中前4个参数的精确率和可接受率明显高于后4个参数.因为前4个参数可以直接从斜测电离图中提取,而后4个参数不能.参数foEs、foF2和h′Es是分别利用正割定理和Martyn等效虚高定理将fMUFEs、fOMUFF2和p′Es近似转化得到的.由于正割定理和Martyn等效虚高定理是在假设地面和电离层是水平面的前提下才成立,当斜向探测距离不能近似为水平面时,转化出来的参数值跟实际值存在偏差.另外，foF2、fxF2、foEs、h′Es可以直接从垂测电离图中提取,所以想要获取更加精确的foF2、fxF2、foEs、h′Es值,可以对垂测电离图进行自动提取[15].虽然在对斜测电离图进行自动提取的过程中提供的foF2、fxF2、foEs、h′Es的可接受率不如fMUFEs、p′Es、fXMUFF2、fOMUFF2,但是在没有垂测电离图的条件下,它们是具有参考和利用价值的.

表1 斜测电离图参数自动提取结果正确率的百分比统计

3 结 论

本文提出了一种自动提取方法，用来获取斜测电离图F2层和Es层的描迹和参数.该方法采用QP模型描述电离层F2层电子浓度分布,采用正割定理、Martyn等效定理和图像处理技术确定电离层状态参数的初始值和搜索空间.然后利用最小群时延和残差分析提取Es层描迹.最后根据合成的斜测电离图F2层描迹与真实描迹的吻合程度,使用混合遗传算法从搜索空间内找出一组最优参数.为了验证自动提取方法的有效性,对120张斜测电离图的描迹和参数进行自动提取,将自动提取结果与人工提取结果进行比较.结果显示,fMUFEs、p′Es、fXMUFF2、fOMUFF2自动提取结果的可接受率超过90%,foF2、fxF2的可接受率在80%左右,foEs、h′Es的可接受率在60%～70%之间,说明该方法能够较准确地提取出斜测电离图参数.

我们需要采集更多的数据进一步完善该方法以提高自动判读性能.未来的研究方向包括:应用该方法判读从不同地区获取的斜测电离图,采用QP模型描述斜测电离图的电子浓度分布.

[1]REDDING N J.Image understanding of oblique ionograms：the autoscaling problem[C]//Australian and New Zealand Conference on Intelligent Information Systems.Adelaide, November 18-20, 1996:155-160.

[2]凡俊梅, 鲁转侠, 焦培南.电离层斜向传播模式的智能识别[J].电波科学学报, 2009, 24(3)：471-475.

FAN J M, LU Z X, JIAO P N.The intelligentized recognition of oblique propagation modes[J].Chinese journal of radio science, 2009, 24(3)：471-475.(in Chinese)

[3]胡耀垓, 宋欢, 赵正予, 等.斜测电离图F2层描迹的自动判读[J].华中科技大学学报：2014, 42(9)：49-54.

HU Y G, SONG H, ZHAO Z Y, et al.Automatic scaling of F2 layer trace from oblique ionogram[J].Journal of Huazhong University of Science &Technology, 2014, 42(9)：49-54.(in Chinese)

[4]LUCAS D L, HAYDON G W.Predicting statistical performance indices for high frequency telecommunication systems[R].ESSA Technical Report IER 1-ITSA-1.Boulder：U.S.Department of Commerce, 1966.

[5]BASLER R P, SCOTT T D.Ionospheric structure from oblique-backscatter soundings[J].Radio science, 1973, 8(5)：425-429.

[6]HUAN S, HU Y G, JIANG C H, et al.Automatic scaling of HF swept-frequency backscatter ionogram[J].Radio science, 2015, 50：381-392.

[7]CHEN Z, WANG S, ZHANG S, et al.Automatic scaling of F layer from ionograms[J].Radio science, 2013, 48：334-343.

[8]宋欢, 胡耀垓, 赵正予, 等.基于混合遗传算法的斜测电离图参数反演[J].地球物理学报, 2014, 57(3)：703-714.

SONG H, HU Y G, ZHAO Z Y, et al.Inversion of oblique ionogram based on hybrid genetic algorithm[J].Chinese journal of geophysics, 2014, 57(3)：703-714.(in Chinese)

[9]CHEN G, ZHAO Z Y, ZHANG Y N, et al.Application of the oblique ionogram as vertical ionogram[J].Science China technological sciences, 2012, 55(5)：1240-1244.

[10]JIANG C, YANG G, ZHAO Z, et al.An automatic scaling technique for obtaining F2parameters and F1critical frequency from vertical incidence ionograms [J].Radio science, 2013, 48：739-751.

王大鹏 (1985-),男,陕西人,武汉大学电子信息学院硕士研究生,研究方向为雷达设计与通讯保障．

胡耀垓 (1972-),男,湖北人，武汉大学电子信息学院教授,研究方向为空间探测与信息处理技术、人工影响空间环境的理论及应用.

The intelligentized extraction of the traces from oblique ionogram

WANG Dapeng1, 2SONG Huan1HU Yaogai1XIE Cun2ZHAO Zhengyu1

(1.SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,China;2.WuhanMechanicalTechnologySchool,Wuhan430075,China)

This paper describes an automatic scaling method for extracting the trace and parameters from oblique ionogram.The proposed technique adopts quasi-parabolic(QP) model to describe the electronic concentration distribution of F2layer.The secant theorem, Martyn’s equivalent path theorem, image processing technology and echo characteristics of ionogram are used to determine the final values of some parameters.Then, the hybrid genetic algorithm is used to find a set of optimal parameters within the scope of search spaces to make sure that the synthesized F2layer trace accords with the real trace best.In order to verify the performance of this method, 120 oblique ionograms are scaled and their results are compared with manual scaling results and vertical data.Comparison results show that the method can accurately scale oblique ionogram parameters.

oblique ionogram;automatic scaling;hybrid genetic algorithm

王大鹏, 宋欢, 胡耀垓, 等.斜测电离图描迹的自动提取[J].电波科学学报,2016,31(5):957-961.

10.13443/j.cjors.2015110604

WANG D P, SONG H, HU Y G, et al.The intelligentized extraction of the traces from the oblique ionogram[J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):957-961.(in Chinese).DOI：10.13443/j.cjors.2015110604

2015-11-06

国家自然科学基金(No.41327002, 41375007)

P352

A

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